[科普中國]-月球勘測軌道器探測器

發(fā)展背景

21世紀(jì)，月球探測的新一輪熱潮在世界主要航天國家再次興起，目標(biāo)以探測月球資源，試驗(yàn)探測技術(shù)，為月球能源與資源的開發(fā)作準(zhǔn)備為主。2004年1月，美國總統(tǒng)布什宣布了“太空探索新構(gòu)想”。2005年9月19日，美國航空航天局(NASA)局長邁克爾·格里芬在華盛頓公布了1040億美元預(yù)算的重返月球計劃，預(yù)計在2020年之前使用新型載人飛船將人類再度送上月球。LRO任務(wù)是上述計劃的一部分，其重點(diǎn)是進(jìn)行應(yīng)用科學(xué)/工程評估，主要目標(biāo)包括：選取未來機(jī)器人和人類探測月球的著陸點(diǎn)；確認(rèn)潛在的月球資源。1

探測器概況美國計劃在十年內(nèi)重返月球，向月球發(fā)射機(jī)器人月球登錄器，并再次實(shí)現(xiàn)載人登月。為了給這一宏偉計劃做準(zhǔn)備，NASA在2009年發(fā)射“月球勘測軌道器”（LRO）探測器。

LRO任務(wù)的目的有三個：勘測可能的著陸點(diǎn)；評估月球上的水和其他資源，包括可以用來發(fā)電的太陽光照情況；描述將來宇航員可能面對的輻射環(huán)境。2

在進(jìn)入最終的環(huán)月球勘測軌道后，LRO將在30到50米高的極軌道上執(zhí)行為期一年的勘測任務(wù)。之后可能進(jìn)入低維持軌道執(zhí)行長達(dá)五年的延長任務(wù)，繼續(xù)勘測工作或作為月球通訊中繼衛(wèi)星使用。

LRO是一個三軸穩(wěn)定平臺，擁有存儲和實(shí)時發(fā)送數(shù)據(jù)的能力。據(jù)估計，LRO的數(shù)據(jù)發(fā)送速度約為100兆比特每秒，每天可以向地球傳回900吉比特的觀測數(shù)據(jù)。2

主要任務(wù)2009年6月23日，探測器進(jìn)入月球軌道；9月15日，探測器進(jìn)入距離月球表面50km的軌道，進(jìn)行高分辨率月面測繪；探測器在該軌道上進(jìn)行了1年多的觀測后，于2010年10月進(jìn)入較高軌道執(zhí)行擴(kuò)展科學(xué)任務(wù)，預(yù)計擴(kuò)展任務(wù)將持續(xù)5年。3

探測器還攜帶了次要有效載荷——“月球坑觀測與感知衛(wèi)星”(lunar Crater Observation and Sensing Satellite，LCROSS)。LCROSS由“守望航天器”和“半人馬座”上面級2個部分組成?！鞍肴笋R座”上面級實(shí)際上是一個撞擊器，其任務(wù)是撞擊月球南極。除了在”半人馬座”上面級撞擊月球時對撞擊過程進(jìn)行詳細(xì)觀測外，“守望航天器”的任務(wù)還包括充當(dāng)另一個撞擊器，對月球進(jìn)行第2次撞擊，在發(fā)射1h后，LCROSS就與探測器分開，沿各自的預(yù)定軌道飛往月球。2009年10月9日，LCROSS到達(dá)月球南極上空，“半人馬座”上面級與“守望航天器”分離。數(shù)小時后，“半人馬座”上面級以2.5km/s的速度、與月面成75°角撞擊月球南極的一個隕坑，撞擊產(chǎn)生的煙塵不斷向外擴(kuò)散。這時，“守望航天器”飛過煙塵，其攜帶的儀器對煙塵進(jìn)行測量分析，搜尋水的信息。在“半人馬座”上面級撞擊月球15min后，“守望航天器”也撞擊月球，并在撞毀之前將收集的數(shù)據(jù)傳回地球。3

主要性能參數(shù)探測器的發(fā)射質(zhì)量為1846kg，干質(zhì)量為949kg。主平臺為長方體結(jié)構(gòu)，尺寸為3.8m×2.6m×2.7m。探測器采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括推進(jìn)系統(tǒng)模塊、電子系統(tǒng)模塊和有效載荷模塊，主推進(jìn)采用雙組元推進(jìn)系統(tǒng)，單元肼推力器用于姿態(tài)控制。采用三軸穩(wěn)定，姿控系統(tǒng)包括2個星敏感器、1個慣性測量單元、4個反作用動量輪和單元肼推力器。電源系統(tǒng)采用功率1850W太陽翼(面積10.7m2)和80A·h鋰離子蓄電池通信采用S和Ka頻段，其中S頻段低速上/下行數(shù)據(jù)率為2.186Mbit/s，Ka頻段高速下行數(shù)據(jù)率為100～300Mbit/s有效載荷包括宇宙射線望遠(yuǎn)鏡、月球探測中子探測儀、占卜者月球輻射計、軌道器激光光度計、萊曼-阿爾法測繪儀、軌道器相機(jī)、小型S和X頻段合成孔徑雷達(dá)。3

LCROSS的“半人馬座”上面級質(zhì)量2000kg，“守望航天器”質(zhì)量534kg，肼燃料300kg推進(jìn)系統(tǒng)包括2組8個單元肼推力器。電源系統(tǒng)采用功率420W的體裝式太陽電池陣和40A·h鋰離子蓄電池組。通信采用S頻段系統(tǒng)，包括2副全向天線和2副喇叭天線。有效載荷包括2臺可見光相機(jī)、3臺紅外相機(jī)、3臺光譜儀和1臺光度計。3

有效載荷LRO上攜帶了六種主要的儀器設(shè)備。

月球軌道器激光測高儀（LOLA） 該儀器由位于馬里蘭州戈達(dá)德空間飛行中心研制，可以提供月球的高精度數(shù)字的標(biāo)高地圖，這些地圖可以用于機(jī)器人月球登錄器在2010年至2011年在月球著陸時著陸點(diǎn)的定位。

LOLA可以將單束激光脈沖分成五束，然后通過測量被月球表面發(fā)射的不同波束間的時間差以確定距離。LOLA還可以通過激光波束對月球表面進(jìn)行覆蓋以測量月球表面的起伏程度，通過發(fā)射能量的強(qiáng)度測量月球表面發(fā)射率，以及通過激光波束的不同返回時間測量月球表面的斜度。2

獲得了月球表面的數(shù)字標(biāo)高地圖后，就可以確定月球表面上永久陰影區(qū)和永久光照區(qū)的分布。

月球勘測軌道器照相機(jī)（LROC） 該儀器于LOLA配合使用，由一部窄角照相機(jī)和一部廣角照相機(jī)組成。窄角照相機(jī)可以獲得分辨率為50厘米的全色圖像，在這些圖像上足以看到“阿波羅”飛船的著陸點(diǎn)和停在月球表面上的飛船。當(dāng)LRO在環(huán)月球軌道上飛行時，窄角照相機(jī)在每圈軌道中只會使用5至10次。而廣角照相機(jī)可以提供分辨率100米的七種波長的月球全景圖像，用來描述月球表面的礦物成分。2

LRO的軌道可以使其每天在50千米的高度上穿越月球兩極上空10次，以獲得科學(xué)家和宇航員最為感興趣的地區(qū)的圖像。高分辨率的數(shù)字地圖可以指引機(jī)器人登錄器和之后的載人登錄器前往最有希望同時存在冰和太陽能的地區(qū)。例如，月球兩極地區(qū)的運(yùn)動圖像，以幫助了解某一特定季節(jié)的光照模式。

月球勘測中子探測器（LEND） 該儀器與探測月球表面成分的多光譜廣角照相機(jī)配合使用，用來測量月球表面物質(zhì)在宇宙射線照射下釋放出的中子。氫可以吸收中子，所以可以通過測量“中子反射率”以確定月球表面的某些成分是否存在某種狀態(tài)的氫。2

月球兩極地區(qū)富含氫物質(zhì)——可能是在月球的早期歷史中由于彗星沖撞留下的冰。LEND的分辨率為10千米，可以查明月球表面永久陰影區(qū)域中的最有可能性的位置上是否存在水。

多通道太陽發(fā)射率和紅外濾波輻射儀（DIVINER） 該儀器與LEND配合使用，用來測量月球表面的溫度。它可以幫助定位被陰影區(qū)覆蓋的寒冷低陷地區(qū)，這些地區(qū)可能存在冰。通常溫度低于50K的地區(qū)最可能存在冰。

**萊曼-阿爾法項(xiàng)目儀器（LAMP）**該儀器也被用來尋找冰，實(shí)際上這是一個與安裝在于2004年發(fā)射的歐空局“羅塞塔”彗星探測器上的同類設(shè)備相同的儀器。通過利用來自恒星的紫外光，LAMP可以尋找月球兩極地區(qū)深坑中黑暗表面之上的冰。2

輻射效應(yīng)宇宙射線望遠(yuǎn)鏡（CRaTER） 該儀器是LRO上最后一個主要儀器，它可以測量未來登月的宇航員將要面對的輻射環(huán)境，并描述宇航員出于安全考慮而需要的輻射防護(hù)。